舞臺機械變頻器控制方式分析比較

(甘肅會展中心有限責任公司 甘肅 蘭州 730046)

舞臺機械變頻器控制方式分析比較

李昭

(甘肅會展中心有限責任公司甘肅蘭州730046)

介紹了現代舞臺機械中吊桿常用的控制方式，分析了幾種舞臺吊桿調速方式的優缺點，著重介紹了一對多本地-支援模式控制和變頻矩陣模式控制，通過大劇院實際運行過程中遇到的問題，對比分析了幾種控制模式的優缺點，并且給出了合理化建議。

舞臺吊桿；變頻器切換；矩陣控制

舞臺機械是劇院中重要的組成部分。其中，舞臺吊桿又是舞臺上場景變換、幕布開合的常用的關鍵設備。舞臺吊桿的性能直接影響了整個舞臺的表演效果。

舞臺吊桿從最早的人工操作變為固定速度的繼電器-接觸器控制，隨著計算機技術的不斷進步和發展，現在大部分控制已經變為“上位機+PLC+變頻器”方式調速控制，這個控制的方式最大的優點是能夠實時監控吊桿的運行狀態，準確定位吊桿的位置，精確地控制運行速度，使得吊桿更加平穩，更加安全，更能適應越來越復雜的舞臺場景切換。

舞臺吊桿變頻調速控制方式一般分為一個變頻器控制一路吊桿、一個變頻器控制多個吊桿、矩陣切換三種。這幾種控制方式的選擇主要取決于對劇院或演藝場所的資金投入情況以及功能定位，如果資金充裕并且功能定位要求高的話，就可以使用一個變頻器控制一個吊桿的控制思路，做到變頻調速控制，達到多個吊桿完成各種復雜規則并準確的運行。否則，就需要采用一個變頻器控制多個吊桿的控制思路，或者是矩陣控制思路。本文主要討論這兩種情況。本文由某劇院舞臺機械在應用中出現的實際問題出發，討論了各種控制方式的優缺點，給出了合理化建議。

一、運行中出現的現象

某劇院有舞臺吊桿40道，通過10個變頻器進行控制，變頻器控制方式采用一個變頻器控制多個吊桿。演出過程中需要使用多個吊桿同時運行的情況非常多，但是，有時會出現兩只吊桿不能同時進行編程動作。下面就這個現象進行了深入的分析。

二、問題分析

劇場現有的舞臺吊桿控制模式就是一個變頻器控制多個吊桿。劇場的舞臺吊桿是由上位機(工業控制計算機)通過工業以太網交換機向下位機可編程控制器(PLC)發送指令，進而控制變頻器對設備進行運動控制。最初的設計思路就是基于最多同時運行10道吊桿，相鄰吊桿同時使用的情況比較多的情況，設計了舞臺演出的要求。通過對變頻器控制吊桿情況分析，得出變頻器控制的吊桿分配表(表1)。

表1 劇院變頻器控制吊桿分配表

從表1可以看出，1#變頻器控制的吊桿號為1、11、21、31號，2#變頻器控制的吊桿號為2、12、22、32，以此類推。我們稱1#變頻器控制1、11、21、31吊桿的模式為本組模式。同時，為了防止1#變頻器發生故障而導致1、11、21、31吊桿不能動作，將1、11、21、31號吊桿也接入2#變頻器下，只有當1#變頻器發生問題時，才能夠使用2#變頻器進行操作，這樣2#變頻器就相當于1#變頻器的硬件冗余，中間通過硬件選路器和PLC完成變頻器分配，我們稱這種模式為支援模式[1]。同樣，2#變頻器連接的本組吊桿接入到3#變頻器，以此類推，3#的本組接入4#變頻器等等，這樣基本就能覆蓋所有吊桿都能通過至少兩臺變頻器控制，實現吊桿全覆蓋并且吊桿較高程度的切換，能夠預防一定的風險。

這種控制思路和方式仍能滿足現在大部分舞臺需要，但是，通過分析上述表格和本地-支援模式控制思路，我們進行兩種分析。

分析(1)：演出中的一個場景同時需要使用1號、11號、21號和31號吊桿，這時候這幾個吊桿是不能同時運行的，即使將支援的變頻器也加上，也是不夠的。因為它們在同一組變頻器，一個變頻器同一時間段只能驅動一臺電機設備，算上相互強制支援也不能同時動作。同理，2號、12號、22號和32號也不能同時動作。即表(1)中每一列中的吊桿均不能同時動作。

分析(2)：2#和3#變頻器同時發生故障，那么2#變頻器下的3號、13號、23號、33號吊桿則無法動作，必須要等待將2#和3#變頻器其中的一臺排除故障。同理3#、4#變頻器同時發生故障，3#變頻器的本組吊桿也無法動作。

通過以上兩種分析可以得出，一個變頻器控制多個吊桿設備的控制思路不能實現真正意義上對吊桿設備的全部控制，這也就是我們在實際運行過程中產生問題的根本原因！

三、變頻矩陣控制系統

變頻矩陣控制系統理論是由一個變頻器控制系統內任意一臺吊桿，而每一個吊桿可以被任意一臺變頻器控制。仍是10個變頻器控制40道吊桿。舞臺吊桿矩陣切換控制原理圖示意圖如下：

圖1 矩陣切換控制原理圖

其中KM為繼電器，1KM1、2KM1、3KM1至10KM1表示1號吊桿分別接在1#、2#、3#至10#變頻器下，同時只允許1臺變頻器啟動控制。1KM1、1KM2至1KM40表示1號、2至40號吊桿接在1#變頻器下，同一時刻只允許1臺吊桿啟動[2]。為了設備的安全，PLC內部編程對繼電器進行互鎖保護[3]，保證同時運行的10道吊桿在10個不同的變頻器下。

當PLC收到命令指令時，首先判斷每個吊桿的各種信息，分析當前閑置的變頻器進行分配，然后通過PLC輸出控制信號，使繼電器吸合，進而完成相應的位置及速度運行。其中，系統中繼電器的吸合和松開，是也是由PLC進行邏輯控制，結合所有設備的上下限位、抱閘信號、速度和位置編碼器信號、繼電器的使用情況信號，作為PLC輸入信號，保證同一時刻一個吊桿只能由一個變頻器控制。

這樣的控制方式，實現了任意時刻可以同時運行任意10道吊桿，如果其中一臺或者幾臺變頻器出現問題，整個系統仍然能夠用剩余的變頻器完成所有吊桿的控制。

矩陣切換系統使用了大量的繼電器，一個變頻器對多個吊桿控制方式只需要80個接觸器(本地40個和支援40個)，然而矩陣系統則需要400個接觸器(10×40)，這么多的接觸器出現問題的概率明顯增高，而且接線非常復雜，同時PLC系統的輸入點位增加，必然導致模塊的增加，PLC的控制邏輯也變得復雜，相應的成本會增加。

四、總結

兩種控制方式各有優缺點，一個變頻器對多個變頻器能有效降低工程成本，而且在一定范圍內能夠實現1控多的思路，缺點就是同一本地組別的多個吊桿不能同時動作，不能實現真正意義上的同時運行。而矩陣切換控制能夠實現真正意義上的任意變頻器控制任意吊桿，方便操作人員，但它的缺點也是顯而易見的，那就是繼電器的數量過多，接線過于復雜故障率較大。

從上述分析來看，對已有劇院的控制方式進行更換的話，首先要對綜合布線進行重新規劃，增加數量巨大的接觸器，而且需要對PLC及工控機的軟件進行重新設計，其花費較大，經濟效益太低。未來在新建的劇院中，隨著硬件設備的性能提升、故障率的降低，變頻矩陣切換系統會成為主流控制系統。

[1]李煒，李青朋，毛海杰，龔建興.基于切換與容錯的舞臺吊桿系統控制方法研究[J].計算機仿真,2015，32(3):272-277

[2]陳積遠.舞臺吊桿變頻矩陣切換控制系統[J].長沙鐵道學院學報,2010，11(3):225-226

[3]龔建興，吳愛梅.PLC在舞臺吊桿控制系統中的應用[J].電氣傳動自動化,2001(10):48-50

李昭(1988-)，男，漢族，陜西咸陽人，技術保障部主管，大學本科，甘肅會展中心有限責任公司。